11-12++非晶态半导体

§9 非晶态半导体

晶体：原子是周期排列的

非晶体：与晶态相比不存在长程的有序性

非晶态半导体是半导体领域中的一个重要方面，也是非晶态物理，非晶态物理的研究可以追溯到1968年，现在已经大范围的应用，主要是非晶硅太阳能电池，1977年Mott主要以他在非晶态半导体理论研究中的成绩获得了诺贝尔奖金。研究非晶态半导体理论的意义，绝不仅仅局限于对于一些物理现象的理解和描述，它对如何认识固体理论中的许多基本问题有着重要的影响。

它是目前理论物理研究的前沿之一，是无序系统理论的重要组成部分，同时它的研究成果已经应用于晶体表面，界面，缺陷，杂质等研究之中。

非晶态半导体材料包括的范围很广，目前研究最多的是非晶硅。今天主要讲非晶硅。

§9.1 非晶的结构

非晶半导体都是以共价键结合为主的,共价结合的特点是具有方向性和饱和性,也就是说各种元素原子能形成多少共价键,以及共价键间的几何方位,都有确定的规律,这就使

得非晶态半导体的结构仍然保持近程的有序性，与晶态相比，只是不存在长程的有序性。

晶体硅

原子形成共价结合时，价电子进行SP3杂化，形成沿正四面体四个顶角方向的共价键，任意两个键夹角109 18′

非晶也是这种正四面体配置，

只是在非晶硅中，键角和键长

有不同程度的畸变，这种畸变

使硅不再存在长程的周期性。

H在非晶硅的结构中占有一定的比例:

例:

SiHHSi

从(110)面的原子投影图看,晶体硅组成一系列六原子环,而在非晶硅中,由于键角和键长有一定程度的畸变,不再存在有一定长度的周期性,这是硅原子除了组成六原子环外,还组成五原子环,七原子环等.

结构特点:

1长程无序,短程有序,

在结构上,非晶态半导体的组成原子没有长程有序性,但由于原子间的键合力十分类似于晶体,通常只保持着几个晶格常数范围内的短程有序,简单的说,非晶半导体结构是长程有序,短程有序.

2连续共价键无序网络

对于大多数非晶态半导体而言,其组成原子是共价键

结合在一起,形成一种连续的共价键无规网络,所有的价电子都束缚在键内,并满足最大成键数目的8_N规则,称此为键的饱和性.N为原子价电子数.

3化学组分的无序性

非晶态半导体可以部分实现连续的物性控制,当连续改

变

组成非晶态半导体的化学组分时,其比重相变温度,电导率,禁带宽度都随之变化,这为探索新材料提供了广阔的天地.

4在热力学上处于亚稳状态

非晶半导体在热力学上处于亚稳状态,在一定的条件下,

可以

转变为晶态.这是因为非晶态半导体比其相应的晶态材料有更高的晶格位能(自由能)

5 性能重复性差

非晶态半导体的结构,电学与光学性质十分灵敏的依赖

于制

备条件和制备方法，与制成材料的历史情况有关，因此，性能重

复性差。

6 物性的各向同性

非晶态半导体的物理性质是各向同性的，这是因为它

是一种共价键无规则网络结构，不受周期性的约束。

§ 9.2 非晶态半导体的能带

回顾晶体的能带：

Ec

Ev

E

P(E)P(E)

晶体半导体导带底，价带顶附近的态密度函数

晶体中电子态的能量本征值分成一系列能带，对晶态半

导体

最重要的是导带和价带，导带和价带之间存在禁带，在能带中电子能带是非常密集的，形成准连续分布，为了概述这种情况下的能级分布情况，通常引入能态密度函数 （E ），在E —E+dE

间隔内的状态数为 （E ）dE 。

在非晶态半导体中，也存在一系列能带，能带的存在不

依赖于

晶体的周期性。目前的研究表明，能带的基本情况主要取决于

近程的

性质。主要表现在非晶态半导体的能态密度存在着尾部，是非

晶态半

导体的本征性质，它是由无规则网络中键的畸变造成的。 导带中，E 〉Ec 是扩展态

E A 〈E 〈Ec 为定域态

价带中，E 〈Ev 是扩展态

Ev 〈E 〈E B 是定域态

E E E

E Ec

E A E)

E)

Ec ，Ev 分别表示导带和价带中扩展态和定域态的分界。当电

子处于

定域态时，电子只能通过与晶格振动相互作用交换能量，才能从一个

定域态跳到另一个定域态，进行跳跃式导电。

因此，当T→0K时，定域态中电子迁移率为零，而扩展态中的迁移率为有限值，所以扩展态和定域态的分界又称为迁移率边缘。

非晶态半导体中的缺陷能级

晶态半导体中的缺陷，如杂质，空位，位错等，往往在禁带中引入缺陷能级，它们表示电子的束缚态在非晶半导体中也是一样。由于非晶态半导体中缺陷密度大，在禁带中引入大量的缺陷定域态。这些定域态的能级形成窄的能带。

E)

反映在能态函数上，如上图所示，根据W.E.spear等人的实验,认为非晶硅中通常存在双峰.如图中Ex,Ey.Ex为受主型的缺陷态,也就是说,这些能态上仅有电子占据时,呈现中性而当这些能态上占有电子时,呈带负电状态

Ey为施主型缺陷,也就是当占有电子时,呈中性钻状态,当不被电子占据时,呈带正电状态.

如果这两个峰有交叠,就会有些施主型缺陷态的电子转移到受主型缺陷态上,分别呈现带正电荷和负电荷.

如果缺陷态密度足够大,这些缺陷态中既占有电子又往往不能填满,这就意味着费米能级E F处于这种定域的能带中,而且E F不大随温度变化,这种现象叫做＂钉扎＂现象．

（１）代为定域态被认为是非晶半导体的本征性

质．它是

无规则网络中键的畸变造成的．

（２）缺陷能级定域态被认为与悬挂键，杂质掺杂

有关

悬挂键是非晶半导体的基本结构特征．Ｓｉ和Ｇｅ等四面体配位的半导体在形成共价结合时，价电子进行ＳＰ３杂化然后成键，它们的成键态对应固体的价带，而反键态对应固